基于聚酰亚胺基底的热剪切应力传感器设计

作者:孙永明;刘武;张卫平;陈宏海 刊名:传感器与微系统 上传者:康东平

【摘要】设计了一种基于柔性MEMS技术的双热线结构剪切应力传感器,可以实现曲体表面上二维剪切应力的矢量测量,对于实现流场的主动控制具有重要的意义。介绍了双热线热剪切应力传感器及其阵列的原理和结构设计;通过有限元仿真分析对器件的尺寸参数进行了优化设计;利用MEMS工艺制作方法,实现了信号背线引接技术,减少了对流场的干扰。实验结果表明:工艺流程设计和器件参数设计合理,传感器阵列具有良好测试性能。

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0引言当前对流场内的绕流物体进行主动流场控制是流体力学的研究热点之一,特别是在航行体动力学研究领域。通过微型剪切应力传感器可以实时检测湍流边界层壁面应力的分布来了解湍流边界层的流体动力学特性,将输出信号反馈到微执行器来实现对流场的主动控制。剪切应力传感器必须满足相应的时间和空间尺度要求,同时需要安放在绕流物体的曲体表面上,因此,基于柔性MEMS加工技术的微型流体应力传感器及其阵列的研究受到了高度关注[1]。国内外许多研究机构已经对热剪切应力传感器进行了研究,如西北工业大学刘奎等人制作的用于翼型表面的分离点位置检测的微型剪应力传感器[2];华中科大陈四海等人制作的柔性热剪切应力传感器[3];美国加州理工大学XuYong等人制作的基于聚对二甲苯薄膜连接硅岛形成半柔性剪切应力传感器阵列[4]。这些传感器多数是以硅材料为支撑结构,只能用于测量物体表面为平面的剪切应力测量。本文提出了一种新型的全柔性MEMS剪切应力传感器及其阵列可以实现二维剪切应力的矢量测量,并采用特殊的MEMS加工工艺方法实现信号引线背面引出,从而降低了信号引线对被测流场的干扰。1热剪切应力传感器设计1.1基本原理热剪切应力传感器是一种通过间接测量方法实现平面内二维剪切应力大小和方向的测量,其原理如图1所示,当层流通过物体表面时变成边界层,形成流速梯度场,剪切应力的计算公式为=dVdy.(1)其中,为剪切应力,为流体的黏附系数,V为流体速度,y为垂直壁面方向。流场中的流体和剪切应力传感器的热敏元件发生热交换,通过测量热敏元件双热线结构的温度变化测量出流速的大小,通过公式(1)计算出剪切应应力的大小。基于双热线结构剪切应力传感器的工作模型如图2所示,器件工作在恒温模式下,为了实现热线电阻和流体保持恒定的温度差,需要在热线电阻器上施加电压U生热,计算关系式如公式(2)所示U2R=(A+B.Vn)T.(2)其中,A,B和n为特殊尺寸下的常数,T为热线和流体之间的温度差。本文中设计的剪切应力传感器采用接近式双热线结构,当流体以不同的流速通过双热线剪切应力传感器表面时,需要分别施加不同的电压以保证热线和流体保持恒定的温度差,通过测量U1和U2计算出流速的大小和方向,根据公式(1)可以实现剪切应力大小和方向的标定[5]。YXvvdv/dy边界层热边界层热元件平板层流图1热剪切应力传感器原理Fig1PrincipleofthermalshearstresssensorV=0V>0V<0T1=T2U1=U2U1-U2=0热交换热线1热线2聚酰亚胺衬底T1U2U1-U2>0热线1热交换热线2聚酰亚胺衬底T1=T2U1<U2U1-U2<0热线1热交换热线2聚酰亚胺衬底图2双热线剪切应力传感器工作模型Fig2Workingmodelofdoublehot-wireshearstresssensor1.2结构设计用于流场边界层中分离点检测的剪切应力传感器设计需要考虑空间分辨率和时间分辨率,主要基于以下3个因素:1)剪切应力传感器应用在流场中,需要一层保护层以免器件被流体侵蚀,同时双热线可以快速升温;2)设计特定的MEMS工艺流程实现器件信号引线背面引出,降低信号引线对被测流场的干扰;3)采用柔性基底制作,以便安放在复杂曲体表面上实现剪切应力的实时测量。基于上述设计要求,本文设计了一种基于聚酰亚胺衬底的接近式双热线热剪切应力传感器阵列,聚酰亚胺具有很好的机械柔韧性,可以任意弯曲,阵列结构为1010,每个测量单元包含一组呈正交关系的双热线电阻,单个热线的尺寸为0.3m5m1000m,结构如图3所示。(a)%呈正交关

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